劉海威,劉 誠,張瑛華,陳 貺,李一洪,陳德喜,陳 坤

（1.中國恩菲工程技術(shù)有限公司,北京 100038；2.寧波洞橋環(huán)保有限公司,江蘇 寧波 315012）

0 引言

垃圾焚燒處理已成為我國垃圾處理的主要方式,垃圾焚燒發(fā)電廠不僅承擔(dān)處理垃圾的任務(wù),還對國家“碳達(dá)峰、碳中和”的戰(zhàn)略實施發(fā)揮著積極作用。目前我國累計在運行生活垃圾焚燒發(fā)電廠超過500座,焚燒設(shè)施設(shè)計能力達(dá)58萬噸/日,全國城鎮(zhèn)生活垃圾焚燒處理率已達(dá)45%,垃圾焚燒對我國城鄉(xiāng)環(huán)境的改善以及新能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展都做出了突出的貢獻。

傳統(tǒng)垃圾焚燒發(fā)電廠已有100余年的發(fā)展歷史,從工藝方案、核心裝備到控制手段都已日臻完善。我國從20世紀(jì)80年代開始探索垃圾焚燒處理技術(shù),在經(jīng)歷了30余年的發(fā)展歷程后,目前在垃圾焚燒、煙氣凈化、余熱發(fā)電以及自動控制等方面技術(shù)和裝備已趕上世界先進水平,同時政府和公眾對垃圾焚燒發(fā)電廠運行的監(jiān)管措施也日益嚴(yán)格。

隨著科技的進步,尤其是進入21世紀(jì)以來,5G技術(shù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)技術(shù)、AR、人工智能等技術(shù)的興起和逐步成熟,為垃圾焚燒發(fā)電廠進一步提高效率、節(jié)能減排以及實施精細(xì)化管理以及減少人工等方面提供了新的手段,使垃圾焚燒這個領(lǐng)域從技術(shù)層面再上一個臺階成為可能。

1 “1+1+N”數(shù)字化信息控制系統(tǒng)架構(gòu)

“1+1+N”數(shù)字化信息系統(tǒng)是中國恩菲結(jié)合數(shù)字化、人工智能最新技術(shù)成果,以及中國恩菲近70年的有色、礦山以及能源環(huán)境工程技術(shù)經(jīng)驗,提出的一個智能工廠建設(shè)手段,是現(xiàn)代化工廠進一步提升效率,實現(xiàn)低碳生產(chǎn)和無人操作智慧工廠的先進架構(gòu)方案。

“1+1+N”即1個數(shù)據(jù)平臺、1個管控中心、N個智慧化應(yīng)用。通俗地說,1個數(shù)據(jù)平臺就是各類數(shù)據(jù)的集散地和協(xié)同中心,數(shù)據(jù)包括格式數(shù)據(jù)和非格式數(shù)據(jù)在平臺上都有各自不同的儲存空間(數(shù)據(jù)庫)?，F(xiàn)代化工廠中的各種設(shè)備的健康狀態(tài)和性能都可以數(shù)字形式展現(xiàn)出來的,網(wǎng)絡(luò)就是數(shù)據(jù)的輸送渠道,可分為有線網(wǎng)絡(luò)、無線網(wǎng)絡(luò),負(fù)責(zé)把數(shù)據(jù)安全可靠地送往平臺。1個管控中心,是給工廠的管理操作人員提供一個監(jiān)管生產(chǎn)的手段,是安全可靠生產(chǎn)冗余保障。N個工業(yè)智能軟件就是在平臺上挖掘數(shù)據(jù)價值的一個個“挖掘機”,運用大數(shù)據(jù)處理技術(shù)和人工智能技術(shù)把數(shù)據(jù)中有用的東西提煉出來供工藝系統(tǒng)使用。

這種“1+1+N”控制方式是一種全新的控制理念,它把工藝?yán)碚摗⑦壿嬁刂?、人工智慧以及專家系統(tǒng)等都融合在一起,形成了可以自主尋優(yōu)、自動監(jiān)測、自動運行、自我學(xué)習(xí)、故障預(yù)判等一系列智慧功能和各系統(tǒng)協(xié)同運行的真正意義上的智慧工廠。

表1 中國恩菲“1+1+N”智慧工廠架構(gòu)示意圖

2 智慧低碳型垃圾發(fā)電廠

垃圾焚燒過程是一個多變量、強耦合、大滯后特點的較難實施全自動控制的生產(chǎn)過程,而這種復(fù)雜多變量過程控制正是大數(shù)據(jù)+人工智能控制技術(shù)的優(yōu)勢所在。

智慧低碳型垃圾發(fā)電廠是在傳統(tǒng)DCS自動化控制基礎(chǔ)上,采用數(shù)字化、智能化技術(shù),從全流程、全要素進行尋優(yōu)控制,通過智能垃圾收儲與給料、智能焚燒以及冷端優(yōu)化發(fā)電等各工藝環(huán)節(jié)智慧工業(yè)軟件,使垃圾焚燒發(fā)電廠各工藝過程效率提高、安全水平提升、運營成本下降、人工操作減少,最終實現(xiàn)低碳智慧運行的新一代垃圾發(fā)電廠。

基于“1+1+N”架構(gòu)的智慧低碳垃圾焚燒發(fā)電廠從工藝優(yōu)化、智能控制、生產(chǎn)調(diào)度、設(shè)備管理、排放達(dá)標(biāo)、能源管控、安全監(jiān)管等多個維度對全廠生產(chǎn)管理系統(tǒng)進行了梳理。針對垃圾焚燒關(guān)鍵問題與難點,提煉了數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化的智能生產(chǎn)實施要素。通過數(shù)據(jù)收集、大數(shù)據(jù)分析,總結(jié)出了垃圾焚燒發(fā)電廠各流程智能解決方案。

基于“1+1+N”架構(gòu)的智慧低碳垃圾焚燒發(fā)電廠具有如下主要特點:

(1)系統(tǒng)智能尋優(yōu)運行

應(yīng)用智能化工業(yè)軟件,實時對系統(tǒng)、設(shè)備、指標(biāo)等大數(shù)據(jù)進行分析,優(yōu)化垃圾發(fā)酵系統(tǒng)、焚燒系統(tǒng)、汽機熱力系統(tǒng)、煙氣凈化系統(tǒng)等關(guān)鍵工藝流程,使設(shè)備、系統(tǒng)均自動在最佳工況運行。

(2)全廠低碳運行

燃料是電廠節(jié)能和提高效率的基礎(chǔ),垃圾發(fā)電廠中垃圾在垃圾池發(fā)酵、混合是全廠低碳運行的核心,垃圾智能儲運與給料系統(tǒng)會自動感知與優(yōu)化垃圾發(fā)酵過程,將合格的成品垃圾送入焚燒爐,實現(xiàn)全廠低碳運行。

(3)人工操作減少

通過自動給料、智能運行、智能巡檢、機器人、無人機等設(shè)備和軟件,全廠人工操作大量減少,某些工藝環(huán)節(jié)基本實現(xiàn)“黑燈工廠”運行。

(4)設(shè)備可靠性高

設(shè)備檢測與故障預(yù)診斷系統(tǒng)會對設(shè)備各性能參數(shù)實時監(jiān)控,對設(shè)備進行健康評估及故障預(yù)測,做好預(yù)防性維護,設(shè)備的可靠性掌握在控制系統(tǒng)之內(nèi)。

(5)安全性提升

以5G、人臉識別、電子圍欄、人員定位、AR、智能兩票等最新技術(shù)的應(yīng)用,全廠安全水平得到極大的提高。

(6)精細(xì)化管理

桌面云、移動APP、實時能耗分析、三維可視化不僅可以提高管理經(jīng)營效率,更重要的是為管理者提供了精細(xì)化管理的手段,可以讓工廠每一個消耗都做到清晰可查。

3 工程實踐

中國恩菲正在實施“平臺化設(shè)計、數(shù)字化交付、智慧化管理、國際化應(yīng)用”戰(zhàn)略發(fā)展,針對“1+1+N”智慧工廠架構(gòu)模式,已在2個工程上進行了積極的探索和示范,“1+1+N”智慧工廠實施前,A廠為新建項目,B廠為已投產(chǎn)項目。

3.1 智慧數(shù)字平臺

A廠包括焚燒、凈化、余熱利用、飛灰處理等工藝流程,采用具有中國恩菲自主知識產(chǎn)權(quán)的“1+1+N”智能工廠架構(gòu)建設(shè)智慧工廠,其智慧數(shù)字中臺采用ENFI工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺作為PaaS層基礎(chǔ)平臺,以全廠BIM模型為基礎(chǔ),集成屬性數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)、生產(chǎn)運營數(shù)據(jù),具有設(shè)備接入、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、智能算法組件、全流程數(shù)據(jù)庫、三維可視化、定位信息等功能,為智慧工業(yè)軟件應(yīng)用提供基礎(chǔ)。

3.2 一體化管控中心

A廠一體化管控中心采用智能駕駛艙型管控設(shè)計,中心分為生產(chǎn)調(diào)度區(qū)、生產(chǎn)操作區(qū)和設(shè)備安全環(huán)保管理區(qū)三部分。

一體化管控平臺實現(xiàn)了管理模式統(tǒng)一化、集約化、扁平化、信息化、專業(yè)化,拓展了數(shù)字化應(yīng)用場景和展現(xiàn)模式。功能應(yīng)用涵蓋安全應(yīng)急、生產(chǎn)管理、設(shè)備管理、能耗管理、環(huán)境管理系統(tǒng)智能優(yōu)化等,實現(xiàn)全廠管控的可視、可知、可控。

圖1 一體化管控中心實景照片

3.3 N個智慧工業(yè)軟件

B廠智慧應(yīng)用包括智能垃圾給料系統(tǒng)、ICC智能焚燒控制系統(tǒng)應(yīng)用、汽機冷端優(yōu)化系統(tǒng)等大數(shù)據(jù)+人工智能技術(shù)應(yīng)用,其ICCENFI(Intelligent Combustion Control),是基于大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù),并結(jié)合中國恩菲二十余年的垃圾焚燒工程經(jīng)驗,中國恩菲自主開發(fā)的新一代垃圾焚燒爐燃燒控制系統(tǒng)。它將垃圾焚燒復(fù)雜的工藝原理、現(xiàn)場運行的海量工況數(shù)據(jù)和操作人員的人工智慧結(jié)合,運用大數(shù)據(jù)深度學(xué)習(xí)和人工智能,建立了垃圾焚燒爐核心控制算法

庫,開發(fā)了獨立運行的軟件系統(tǒng)。該系統(tǒng)克服了傳統(tǒng)ACC系統(tǒng)邏輯控制復(fù)雜、投用難度大等缺點,是非常適合我國垃圾焚燒特性、具有國際先進水平的控制系統(tǒng)。

圖2 ICC智能控制軟件實景照片

ICCENFI智能控制系統(tǒng)具有如下優(yōu)勢:

智能化控制:控制系統(tǒng)附加運行人員經(jīng)驗與智慧,多參數(shù)同步參與控制決策。

系統(tǒng)投用便捷:ICC軟件系統(tǒng)經(jīng)過短時間大數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)即可投入焚燒爐控制。

無縫對接現(xiàn)有系統(tǒng):ICC系統(tǒng)可100%替代ACC控制系統(tǒng),可實時在手動模式、ACC模式、ICC模式之間切換。

主要控制指標(biāo)波動小:與人工控制相比,主要控制指標(biāo)運行數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差可減小20%以上。

系統(tǒng)投用率高:24 h投用率可達(dá)95%～100%。

4 結(jié)語

采用“1+1+N”智能工廠架構(gòu)建設(shè)智慧低碳型垃圾焚燒發(fā)電廠理念先進,架構(gòu)科學(xué),通過2個工程項目的應(yīng)用和示范,已在全廠取得了更高效、更環(huán)保、更經(jīng)濟、更安全的實踐效果,可為垃圾焚燒發(fā)電廠智慧化發(fā)展提供可貴的借鑒經(jīng)驗。